Новые направления развития СВЧ устройств

    Oсновная цель разработки нового поколения беспроводных систем связи — значительное снижение потребляемой мощности и возможность обработки высокоскоростных потоков данных. В связи с этим в США продолжается программа исследований, финансируемая министерством обороны (OSD) и контролируемая научно-исследовательским институтом US Army Research Office, в ходе которой предполагается найти новые и нетрадиционные способы решения различных технических проблем, посредством объединения знаний и усилий разработчиков как отдельных СВЧ устройств и модулей, так и систем в целом. Рассмотрим перспективные подходы к решению некоторых задач проектирования СВЧ систем связи будущего, таких как разработка усилителей мощности с высоким КПД, использование сигналов с множественной несущей стандарта CDMA, разработка оптимизированных транзисторов и широкое использование микроэлектромеханических систем (MEMS).

    Всё большую роль в коммерческой и военной области играют беспроводные СВЧ системы связи. Однако, при проектировании новых систем разработчики столкнулись с рядом технических противоречий. С одной стороны, для передачи качественного видеоизображения и звука необходимо применять сложные виды сигналов, поддерживающих высокоскоростные потоки данных, а с другой стороны, для увеличения продолжительности жизни батарей необходимо снижать уровни излучаемых сигналов и потребляемую системой мощность. Значительно сгладить указанные противоречия и найти компромиссное техническое решение позволит использование новых технологий при разработке как отдельных устройств, так и систем в целом. Ниже будут приведены результаты, полученные в ходе одной из программ исследований, проводимой несколькими университетами США, направленной на оптимизацию характеристик широкополосных систем связи. Использование комплексного подхода позволило достичь некоторых уникальных результатов по оптимизации СВЧ устройств исключительно для беспроводных систем связи.

    Главная цель исследований состоит в том, чтобы значительно (на порядки) снизить потребление беспроводных систем связи и, как результат, снизить вес необходимых для их питания батарей (что становится весьма актуально для современного армейского оборудования). Несмотря на значительные достижения в технологии изготовления батарей, прирост их ёмкости происходит значительно медленнее, чем комплексное совершенствование систем за счёт других направлений.

Рис. 1. Динамика изменения потребляемой мощности и напряжения питания мобильных систем связи за последнее тысячелетие

    На рис. 1 показана зависимость, характеризующая процесс снижения мощности, потребляемой типовыми портативными коммерческими устройствами связи. Важным фактором здесь является снижение напряжения батареи, которое за последние пять лет уменьшилось с 7 до 3 В. Использование пониженного напряжения питания способствует снижению мощности, рассеиваемой в цифровых цепях системы. Однако, для высокочастотных узлов системы пониженное напряжение питания означает дополнительные проблемы, связанные с линейностью и эффективной излучаемой мощностью.

    Разумеется, для значительного снижения потребляемой мощности устройств необходимо объединение усилий в различных областях исследований. Необходимо использовать такие виды модуляции, которые обеспечивают минимально возможное количество энергии на бит передаваемой информации и могут быть реализованы с помощью высоко эффективных схем (как правило, нелинейных). Для обеспечения высокого КПД выходных модулей системы связи при низком напряжении питания необходимы СВЧ транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии. И для приёмников, и для передатчиков принципиально важно использование устройств с повышенной линейностью. Не следует также забывать о жёстких требованиях, предъявляемых к коэффициенту шума.

    Специфические требования накладываются на антенны, ответвители мощности и фильтры, работающие в системах с широкополосными видами модуляции, которые должны иметь минимальные потери и малые габариты. Для продуктивного использования систем автоматизированного проектирования (САПР) при разработке и оптимизации необходимы точные модели и высокое качество изготовления прототипа. Для достижения оптимального использования КМОП-микросхем очень высокой степени интеграции необходимо осознать взаимосвязь между эффективной (с точки зрения энергетики) обработкой цифровых сиг-налов и особенностями аналоговых СВЧ схем.

    Рост скоростей потоков данных требует повышенной пропускной способности каналов, что может быть достигнуто расширением полосы пропускания, то есть использовать такие системы можно только в СВЧ или миллиметровом диапазоне. Однако, существующие на сегодняшний момент схемотехнические, конструктивные и технологические решения для этого диапазона частот недостаточно совершенны, чтобы обеспечить массовый выпуск дешёвого и общедоступного оборудования.

Высокоэффективные усилители мощности

    Самым главным фактором, определяющим мощность, потребляемую портативным передатчиком, является КПД выходного усилителя мощности передающего тракта. В рамках программы было разработано несколько новых концепций, направленных на увеличение эффективности выходных усилителей мощности при поддержании требуемой линейности. Кроме того, были разработаны новые методики описания поведения усилителей, работающих с сигналами со сложными видами модуляции.

Активные интегрированные антенны для усилителей класса F

    Для получения компактной конструкции передатчика можно, например, объединить выходной усилитель мощности с антенной. В этом случае можно добиться более эффективного согласования импедансов, чем в случае согласования двух отдельных устройств с 50-Ом трактом, как это делается в обычных схемах. Конечная интегрированная структура получается меньше и проще. Чтобы добиться максимальной эффективности устройства, важно обеспечить оптимальное согласование не только на несущей частоте, но и на её гармониках. Для правильной разработки такого усилителя необходимо выполнить его полное электромагнитное моделирование совместно с антенной, что позволит оптимизировать согласование на всех интересующих гармониках полезного сигнала, и тем самым получить интегрированный усилитель класса F.

    Для примера рассмотрим усилитель на GaAs MESFET-транзисторе, интегрированный с микрополосковой антенной в виде кругового сектора. Анализ зависимости действительной и мнимой части входного импеданса схемы от частоты (рис. 2) показывает, что оптимальное согласование импеданса транзистора достигается как на фундаментальной частоте f₀, так и на второй (2f₀) и третьей (3f₀) гармониках сигнала. КПД по излучаемой мощности для такой комбинации был измерен экспериментально и составил 63%. Представленный усилитель будет хорошо работать в системах частотной (FM) и минимальной гауссовской (GMSK) модуляции, но для работы в системах с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) этот усилитель имеет слишком большую нелинейность. Для получения линейности такой антенны, необходимой для использования смещённой QPSK-модуляции (сигналы стандарта IS-95), нужно немного отступить от точки максимального КПД, при этом его значение составит 43%.

Рис. 2. З ависимость входного импеданса активной микрополосковой СВЧ антенны от частоты

    Ещё одним новшеством в области интегрированных антенн является использование фотонных (Photonic Band-Gap — PBG) частотно-запирающих структур для управления согласованием импедансов на различных частотах. PBG-структуры работают как периодические фильтры на связных линиях, которые могут быть легко реализованы в микрополосковом исполнении, например, как отверстия в диэлектрике или в слое металлизации на нижней стороне подложки (рис. 3).

Рис. 3. Использование фотонных полосно-запирающих структур (PBG) совместно с микрополосковыми линиями

    В ближайшем будущем PBG-структуры должны получить широкое распространение и признание. В рамках программы были разработаны PBG-структуры с малыми потерями, которые применялись для согласования импедансов на частотах кратным гармоникам основного сигнала и подавления паразитной утечки мощности на нежелательных частотах на участке от усилителя до антенны. На рис. 4 показана зависимость КПД активной антенны, объединяющей усилитель, PBG-структуру и щелевую антенну, которая имеет КПД более 50% в полосе пропускания 8% и пиковое значение КПД 65%. Кроме того, усилитель подавляет уровень паразитных гармоник передатчика. Помимо этого были разработаны два усилителя в диапазоне 8–12 ГГц с высоким КПД на MESFET-транзисторах. Один из них представляет собой двухкаскадный усилитель класса E на копланарных волноводах и бескорпусных транзисторах с КПД на уровне 37% и выходной мощностью +23 дБм, другой — однокаскадный усилитель класса F на микрополосковых линиях и корпусном транзисторе с КПД на уровне 51%, коэффициентом усиления +7 дБ и выходной мощностью +28 дБм.

Рис. 4. Частотная зависимость с щелевой антенной и PBG-структурами

Усилители мощности с интегрированными DC-DC конвертерами

    В большинстве случаев выходные усилители должны работать в широком диапазоне уровней мощности, определяемым формой огибающей сигнала, которая, в свою очередь, зависит от типа используемой модуляции, замираний сигнала и расстояния между устройством и базовой станцией. Например, для систем CDMA, выполненных по стандарту IS-95, излучаемая выходная мощность, как правило, не превышает 1 мВт, а усреднённая по времени величина составляет около 10 мВт (в то время как пиковая выходная мощность превышает 300 мВт). КПД усилителей мощности при пониженных уровнях выходной мощности резко снижается, что приводит к снижению эффективности системы в целом.

    Одной из задач, рассматриваемой в рамках программы, был поиск стратегии улучшения КПД усилителей мощности, особенно при работе с сигналами малых уровней мощности, что может резко повысить КПД всей системы. Было определено, что для повышения КПД выходного усилителя необходимо изменять или ток потребления, или напряжение питания, или оба этих параметра одновременно с изменением уровня полезного сигнала. На рис. 5 видно, как может быть смещена рабочая точка усилителя при снижении мощности относительно максимального значения (насыщения). Смещение рабочей точки даёт положительные результаты и при работе с сигналами пониженной мощности.

Рис. 5. Нагрузочные кривые для разных рабочих точек транзистора СВЧ усилителя

    Наиболее простой способ изменения рабочей точки состоит в изменении стокового (или коллекторного) тока. В усилителях класса AB форма сигнала по току асимметрична, а среднее значение постоянного тока изменяется автоматически в зависимости от уровня выходной мощности. В усилителях класса B рабочая точка по постоянному току изменяется пропорционально квадратному корню из величины выходной мощности, и в некотором узком диапазоне КПД изменяется как корень из мощности (хотя при этом несколько ухудшается линейность). Одним из способов изменения рабочей точки является использование так называемого динамического затворного смещения (схемы, где напряжение на затворе изменяется пропорционально уровню входной мощности, благодаря использованию специального детектора), которое было успешно применено в нескольких последних разработках. Другой способ заключается в изменении величины питающего напряжения в зависимости от уровня выходной мощности. Наиболее оптимальным решением является одновременное изменение тока смещения и напряжения питания.

    Управление напряжением питания в зависимости от уровня мощности сигнала можно осуществить с помощью малогабаритных DC-DC конвертеров, выполненных на основе гетеропереходных биполярных GaAs транзисторов (HBT) и объединённых с усилителем мощности в одной монолитной микросхеме. Частота переключения DC-DC конвертера лежит в пределах от 10 до 20 МГц, что позволяет выходному напряжению конвертера отслеживать быстрые изменения огибающей полезного сигнала. В системах сотовой телефонии, выполненных по различным стандартам, частота огибающей сигнала лежит в пределах от 50 кГц до 2 МГц. Высокая частота переключения конвертера также даёт возможность использовать для уменьшения уровня пульсаций малогабаритные катушки индуктивности и конденсаторы.

    В схеме используется повышающий конвертер, обеспечивающий изменение выходного напряжения в пределах от 3 до 10 В при входном напряжении 3,3 В, выполненный на мощном HBT-транзисторе, рабочий ток которого достигает 1 А. Катушка индуктивности, кремниевый выпрямительный диод Шоттки и выходной конденсатор выполнены как навесные элементы. Для изменения уровня выходного напряжения в зависимости от величины управляющего напряжения используется широтно-импульсный модулятор (ШИМ). КПД такого конвертера зависит от состояния выходной нагрузки и составляет от 65 до 75%.

Рис. 6. СВЧ усилитель мощности со встроенным DC-DC конвертером

    Полная структурная схема усилителя, содержащего DC-DC конвертер, показана на рис. 6. Мощность входного сигнала отслеживается детектором огибающей, который в свою очередь, управляет значением напряжения питания Vcc усилительного каскада. Значение напряжения Vdd было выбрано несколько большим, чем амплитуда колебания СВЧ сигнала в стоке устройства. На рис. 7 изображена зависимость КПД системы с интегрированным DC-DC конвертером от уровня выходной мощности. В этой зависимости учитывается КПД самого DC-DC конвертера. Легко видеть, что на максимальном уровне выходной мощности отдельный усилитель имеет больший КПД, так как отсутствуют потери в конвертере напряжения. На более низких уровнях мощности система с DC-DC конвертером работает эффективнее благодаря возможности оптимально управлять напряжением питания.

Рис. 7. Зависимость КПД усилителя от мощности выходного сигнала при управляемом и фиксированном напряжении питания, а также распределение вероятности мощности сигнала

    Существенное же улучшение КПД за счёт использования DC-DC конвертеров достигается в области малых уровней сигналов, где отдельный усилитель работает неэффективно. С учётом вероятности распределения уровня мощности сигнала прирост эффективности усилителя составил 1,4 раза. Дальнейшее увеличение КПД возможно благодаря оптимизации интегральных схем, объединяющих DC-DC конвертер и усилитель мощности (вместе с внешней катушкой индуктивности).

    В общем случае, одновременно с изменением мощности входного сигнала и соответствующим ему изменением напряжения стока выходного СВЧ транзистора изменяется и коэффициент усиления транзистора, поэтому важно подавить связанные с этим искажения сигнала. Для этого одновременно со стоковым напряжением изменяют напряжение Vgg на затворе выходного транзистора, что позволяет оптимизировать КПД и снизить паразитное изменение усиления до диапазона ±1 дБ от значения в точке насыщения, что соответствует требованиям стандарта IS-95.

    Другим способом оптимизировать эффективность и линейность усилителей за счёт изменения напряжений смещения на коллекторе и базе HBT-транзисторов или на стоке и затворе гетеропереходных FET (HFET) транзисторов является использование цифровой коммутации или комбинации цифровой коммутации и аналоговых DC-DC конвертеров. Коммутация различных ячеек батареи питания может привести к существенному повышению эффективности и линейности даже при двух ступенях переключения. Здесь также возможно использование интегрированных переключателей, выполненных по технологии MEMS, отличающихся повышенной экономичностью. Более детальный анализ показывает, что наиболее существенный прирост КПД при условии поддержания предельной линейности усилителей класса A может быть достигнут только при использовании пошагового цифрового управления.

Полосовые дельта-сигма усилители мощности

    Ещё одним способом повышения эффективности выходных усилителей является использование усилителя с транзистором, работающим в ключевом режиме, так как в этом случае он рассеивает минимальную мощность. Главная проблема заключается в сложности использования таких усилителей для воспроизведения огибающей сигналов, применяемых в беспроводных системах связи. В усилителях звуковых частот класса S это стало возможным благодаря использованию широтно-импульсной модуляции для двоичных входных сигналов. Несмотря на то, что такой подход не может быть применён непосредственно к СВЧ усилителям из-за слишком высокой тактовой частоты, возможно использование полосовых дельта-сигма модуляторов (BP D-SM). На рис. 8 показаны синусоидальные сигналы на входе модулятора и выходе усилителя мощности после фильтрации, а также двоичный сигнал на выходе модулятора. По итогам моделирования усилителя диапазона 850 МГц на GaAs гетеропереходном биполярном транзисторе, его КПД составил свыше 70%.

Рис. 8. Входной синусоидальный сигнал, бинарный сигнал с выхода дельта-сигма модулятора и фильтрованный сигнал на выходе усилителя

Виды модуляции

    а общие характеристики системы связи и особенно на требования, предъявляемые к СВЧ тракту и цифровому сигнальному процессору влияют параметры канала передачи информации и вид модуляции. При проектировании системы в целом необходимо достичь компромисс между наращиванием КПД усилителя мощности и ростом искажений в нём с учётом того, как они влияют на выбранный тип модуляции. Например, увеличивая эффективность усилителя мощности, можно значительно продлить жизнь батареи питания. Однако, рост КПД зачастую сопровождается ростом уровня искажений, результатом которых может стать снижение подавления соседнего канала приёма и роста перекрёстных искажений. Источники такого рода помех могут существенно ограничить суммарную производительность системы, поэтому для них должны быть разработаны методики контроля и количественной оценки.

    Важной задачей является выбор способа измерения, позволяющего выявить проблемы. Для малосигнальных измерений в частотной области используются скалярные или векторные анализаторы цепей, а для измерений в режиме большого сигнала — системы контроля нагрузки. Для определения точки пересечения третьего порядка используются системы с двухтональным воздействием. Телекоммуникационные системы тестируются, как правило, с использованием цифровых сигналов, поэтому должны быть проверены различные виды модуляции. В этом случае важнейшими характеристиками являются коэффициент побитовых ошибок, подавление соседнего канала и перекрёстные искажения. Для достижения предельных характеристик отдельных устройств и с целью оптимизации системы связи в целом необходимо объединить эти две методики.

    Именно с целью объединить аналоговый и цифровой подходы к измерению параметров систем связи была разработана новая установка [2]. На вход установки со специального генератора подаётся цифровой сигнал произвольной формы с полосой 25 МГц. Этот видеосигнал смешивается с несущей, лежащей в пределах от 2 до 8 ГГц, и усиливается с помощью высоколинейного усилителя. Затем сигнал пропускают через тестируемое устройство, на выходе которого присутствуют аттенюатор и смеситель, выполняющий преобразование вниз на видеочастоту, и оцифровывают для дальнейшей обработки.

    Вся система работает под управлением компьютера, осуществляющего формирование входного и обработку выходного сигналов, а также общие математические операции. Использование цифрового формирования входного сигнала позволяет производить различные типы измерений, например, генерировать однотональное и двухтональное воздействие, а также сигналы сложных видов модуляции, при обработке которых могут возникнуть проблемы, связанные с нелинейностями усилителей и другими паразитными эффектами. В большинстве случаев усилитель может быть описан с помощью полосовой нелинейной модели. Характеристики, связанные с паразитной амплитудной и фазовой модуляцией, необходимые для построения этой модели, могут быть измерены во временной области по методике [5] с использованием модулированных сигналов и усилителя в режиме насыщения. Затем на эту модель усилителя может быть произведено воздействие широкополосных сигналов со сложными видами модуляции.

Рис. 9. Измеренный (а) и рассчитанный (б) спектр широкополосного сигнала на выходе нелинейного усилителя

    На рис. 9 показаны два спектра сигналов на выходе нелинейного усилителя: измеренный (a) и рассчитанный (б) на основе характеристик паразитной AM-to-AM и AM-to-PM модуляции. Все необходимые измерения сделаны на одной измерительной установке под управлением компьютера. Сейчас проводятся исследования разнообразных усилителей, таких как устройства класса A, B, E и F.

    Большое внимание уделяется исследованиям систем CDMA с множественной несущей (MC-CDMA), так как они обеспечивают переход к широкополосным сигналам и могут быть относительно легко внедрены в уже используемые участки частотного диапазона. Такие устройства рассматриваются как составная часть беспроводной системы связи третьего поколения IMT2000, а также представляют специфический интерес для военных приложений, благодаря своей высокой помехо-устойчивости и низкой вероятности перехвата.

    Проблемы, связанные с линейностью усилителей, предназначенных для использования в таких системах, требуют весьма серьёзного рассмотрения, так как именно здесь наблюдается очень высокое отношение пиковой мощности к средней. Особое внимание уделялось спектральным и временным характеристикам MC-CDMA сигналов до и после прохождения через усилитель. В ходе программы были разработаны методики, направленные на смягчение искажающих эффектов в усилителях. Например, благодаря правильному выбору фазы различных несущих в MC-CDMA сигнале, отношение мощностей в пике и в “долине” может быть снижено более чем на 4,5 дБ относительно обычного значения (для случая использования восьми несущих). Это усовершенствование позволяет снизить требования, накладываемые на усилители и получить удвоенный КПД.

Оптимизированные СВЧ транзисторы

    Дальнейшее совершенствование технологии изготовления интегральных схем открывает обширные перспективы развития систем связи. Использование новых методов видеообработки сигналов, особенно с помощью цифровых сигнальных процессоров (DSP), даёт возможность реализовать последние достижения КМОП-технологии и связанном с ними снижение габаритов MOSFET-транзисторов. Развитие технологий производства СВЧ транзисторов для приёмного и передающего трактов происходит не столь быстро, поэтому часть программы была сфокусирована именно на этой проблеме.

    Для получения высоких характеристик усилителей мощности необходимо, чтобы применяемые в них полупроводниковые приборы работали с относительно высокими напряжениями (более 10 В при напряжении батарей питания 3 В) и имели очень низкое сопротивление канала в открытом состоянии. Для приёмных устройств наиболее важными характеристиками являются низкий коэффициент шума и высокая линейность. В обоих случаях основными проблемами можно назвать высокую подвижность носителей и наличие сильного электрического поля, приводящего к пробою транзисторов, поэтому большое внимание было уделено использованию составных полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP), а также SiGe. В рамках программы был разработан ряд новых гетеропереходных устройств (транзисторов HFET, HEMT и HBT), причём основной акцент ставился на их оптимизацию для использования именно в СВЧ беспроводных системах связи.

Биполярные транзисторы с пониженным накоплением заряда в режиме насыщения

    Гетеропереходные биполярные транзисторы (HBT) имеют высокую подвижность носителей заряда и обеспечивают большую плотность рассеиваемой мощности, что положительно сказывается на их частотных характеристиках. Однако, если эти устройства используются в режимах, близких к области насы-щения (например, в коммутируемом усилителе), на них отрицательно сказывается явление, называемое накоплением заряда. В ходе программы было показано, что использование соответствующего сдвоенного HBT (DHBT) устройства с широкими коллектором и эмиттером позволяет значительно подавить эффект накопления заряда в режиме насыщения.

Рис. 10. Характеристики восстановления одинарного SHBT(а) и сдвоенного DHBT(б) транзисторов демонстрируют снижение эффекта накопления заряда в режиме насыщения

    На рис. 10 показаны обратные характеристики восстановления обычного одинарного HBT (SHBT) транзистора и нового сдвоенного HBT (DHBT) транзистора при синусоидальном входном воздействии. Отсутствие отрицательного выброса тока говорит об улучшенных частотных характеристиках исследуемого транзистора. Сдвоенные DHBT-транзисторы на основе фосфида индия и галлия (GaInP) помимо этого имеют меньшее напряжение насыщения (Vcesat) по сравнению с одинарными (SHBT) прототипами. Улучшенные частотные характеристики этих устройств делают их весьма привлекательными для использования в усилителях мощности следующего поколения. С появлением DHBT-транзисторов, разработчики усилителей получают возможность использовать область низкого напряжения Vce, например, в ключевом режиме, что облегчает реализацию усилителей классов F, D и S.

Высокочастотные устройства на основе фосфида индия

    Монолитные интегральные схемы и устройства на основе фосфида индия (InP) представляют собой весьма перспективное решение для малосигнальных модулей систем связи, где требуется малые уровни шума. В настоящее время проводятся широкие исследования устройств различных типов на предмет возможности их интеграции внутри одной микросхемы для создания более совершенных приёмо/передающих модулей. Устройства, выполненные на подложках этого типа, демонстрируют отличные характеристики и идеально подходят для телекоммуникационных приложений. Например, HEMT-транзисторы на основе InP имеют низкий коэффициент шума, высокую выходную мощность, малое ра-бочее напряжение, высокий КПД и очень высокое быстродействие. HBT-транзисторы на основе InP идеально подходят для использования в малошумящих генераторах и усилителях с высокими линейностью и КПД. Смесительные и PIN-диоды, выполненные по этой технологии, имеют очень малые потери и высокую граничную частоту. Всё это говорит о перспективности исследования возможности создания сверхвысокочастотного монолитного приёмо/передающего модуля на основе фосфида индия.

    На настоящее время разработано несколько устройств, выполненных по этой технологии. Сюда входят HEMT-транзисторы с шириной затвора 0,1 мм, предельной частотой коэффициента передачи тока ft приблизительно 200 ГГц и граничной частотой в схеме с общим эмиттером f_max приблизительно 300 ГГц; одинарные n-p-n гетеропереходные транзисторы (SHBT) с частотой f_t в районе 100 ГГц, частотой fmax около 150 ГГц, плотностью рассеиваемой мощности 1,4 мВт/мм2, коэффициентом усиления 11 дБ и КПД 43%; одинарные p-n-p SHBT-транзисторы с частотой f_t приблизительно 13 ГГц, частотой f_max около 35 ГГц, плотностью рассеиваемой мощности 0,3 мВт/мм2, коэффициентом усиления 10 дБ и КПД 24%. Заметим, что это наилучший результат для p-n-p транзисторов на основе фосфида индия, достигнутый на настоящее время.

    Также были изготовлены сдвоенные n-p-n DHBT-транзисторы с решётчатой областью коллектора, призванной улучшить группирование носителей в коллекторе, имеющие частоту ft приблизительно 100 ГГц, частоту fmax около 150 ГГц, напряжение пробоя коллектор-эмиттер BVCEO равное 18 В и напряжение пробоя база-коллектор BVCBO на уровне 23 В. Эти изделия являются лучшими на сегодняшний день и могут оказаться весьма полезными в мощных усилителях с высоким КПД.

    Кроме того, была разработана технология избирательного наращивания отдельных областей подложки и её обработки, что дало возможность изготавливать на одной подложке из фосфида индия устройства различного типа, такие как HEMT-транзисторы, p-n-p и n-p-n HBT-транзисторы, смесительные и pin-диоды. Очень обнадёживающие результаты были получены после наращивания слоёв HEMT, HBT и pin-диодов и оценки их характеристик. По технологии InP были изготовлены n-p-n – p-n-p двухтактные усилители, которые показали большую линейность и улучшенный КПД по сравнению с обычными усилителями. Технология n-p-n – p-n-p также использовалась для проектирования СВЧ операционных усилителей, предна-значенных для использования в различных модулях систем связи.

Микроэлектромеханические устройства для СВЧ приложений

    Так как устройства персональной связи будущего должны обладать минимально возможными массой, габаритами и потребляемой мощностью, это означает необходимость разработки высокоинтегрированных радиочастотных трактов для реализации полного набора функциональных возможностей. Кроме того, активно развиваются системы в частотном диапазоне от 10 до 40 ГГц, где можно добиться значительного увеличения пропускной способности каналов передачи данных за счёт оптимального использования широкополосных сигналов. В настоящее время масса корпусов электронных приборов и микросхем составляет в среднем около 30% от общей массы системы, а значит использование более совершенных высокочастотных микроэлектронных устройств с повышенной степенью интеграции является основным методом снижения массы одновременно с улучшением всех технических характеристик.

    Резкий скачок в области разработки высокочастотных систем связи на основе многокристальных модулей, обещает развитие технологии интеграции на одной подложке активных СВЧ устройств на основе SiGe, микроэлектромеханических (MEMS) и микромеханических компонентов. Чтобы довести такие системы хотя бы до мелкосерийного выпуска, необходимы новые концепции и достижения в проектировании схем, которые позволят заменить главные компоненты приёмного тракта, такие как коммутаторы, диплексеры, СВЧ и ПЧ усилители, смесители, СВЧ и ПЧ фильтры, генераторы на их малогабаритные монолитные, но столь же эффективные аналоги. В рамках программы были разработаны новые MEMS-компоненты на базе кремния, предназначенные для замены пассивных элементов, использующихся в существующих системах связи.

    По последним данным, микромеханическая технология была успешно применена для создания СВЧ переключателей с вносимыми потерями на уровне 1 дБ на частотах от 100 МГц до 30 ГГц. Эти микромеханические структуры имеют очень низкую потребляемую мощность, высокую надёжность и стойкость к внешним воздействиям. Микроэлектромеханические кремниевые коммутаторы, выполненные в корпусах для объёмного и поверхностного монтажа, имеют напряжение питания менее 3 В и обеспечивают скорость переключения на уровне 10-7–10-6 секунд. В ходе научно-исследовательских работ, проведённых Мичиганским университетом, был разработан относительно дешёвый, технологичный СВЧ переключатель.

    С помощью микромеханической технологии могут быть получены диплексеры на волноводах, возбуждаемых обычными или микромеханическими линиями, что делает эти устройства совместимыми с существующей монолитной технологией и позволяет им обеспечивать малый уровень вносимых потерь при минимальных размерах. Задачи получения высокого внеполосного подавления СВЧ фильтров, а также подавления кратных полос пропускания могут быть решены благодаря использованию соответствующих микроэлектромеханических структур, таких как высокодобротные резонаторы.

    Здесь рассматривались два отличающихся подхода: вертикально интегрированные фильтры, использующие вертикальную связь между резонаторами, и горизонтально интегрированные резонаторы и фильтры, обеспечивающие планарную реализацию схемы. Вертикально интегрированные резонаторные фильтры ди-апазона 10 ГГц имеют добротность около 1000, узкую полосу пропускания шириной 2,5% и полосу пропускания по уровню 0,5 дБ приблизительно 4,5%. Горизонтально интегрированные мембранные фильтры имеют потери 2,3 дБ на частоте 37 ГГц и 3,1 дБ на частоте в 62 ГГц при полосе пропускания 3%. Оба типа фильтров могут быть интегрированы с микрополосковыми или копланарными линиями и реализованы в монолитном исполнении.

    Большие надежды возлагаются на кварцевые резонаторы и резонаторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые уже сейчас широко используются для построения частотно-избирательных устройств, благодаря своей высокой добротности (порядка 10000) и исключительной стабильности во времени в широком диапазоне рабочих температур. В частности, подавляющее большинство связных приёмо/передатчиков со встроенными гетеродинами используют высокодобротные механические резонаторы на поверхностных и объёмных акустических волнах для достижения требуемых частотно-избирательных характеристик фильтрующих каскадов СВЧ и ПЧ трактов, а также обеспечения заданных низких фазовых шумов и высокой стабильности СВЧ генераторов.

    Все эти узлы выполнены как внешние (расположенные вне кристалла), то есть именно они занимают большую часть всего объёма СВЧ модуля, а значит представляют собой главную проблему при дальнейшей миниатюризации СВЧ трансиверов. По этой причине, большой объём исследований сфокусирован именно на поиске методов миниатюризации указанных компонентов или на поиске такого подхода к построению системы, который позволит и вовсе отказаться от их использования. Недавно разработанные миниатюрные высокодобротные генераторы и механические полосовые фильтры с габаритными размерами порядка 30ґ20 мм явились результатом реального воплощения долгих теоретических изысканий. В этих устройствах используются высокодобротные встроенные (on-chip) микромеханические резонаторы, построенные из поликристаллического кремния с использованием методов поверхностной микромеханической обработки, совместимых с традиционными технологиями изготовления микросхем, и имеющие добротность в вакууме порядка 80000 и температурный коэффициент стабильности -10 ppm/°C, который можно снизить в несколько раз с помощью специальных методов. В настоящее время микромеханические полосовые фильтры на двух резонаторах имеют центральную частоту до 14,5 МГц, полосу пропускания в районе 0,2% при вносимых потерях менее 1 дБ.

Заключение

    Таковы основные достижения СВЧ технологии, которые могут быть использованы с целью значительного улучшения различных параметров беспроводных широкополосных систем связи, в том числе КПД, полосы пропускания, а также массогабаритных соотношений.

Литература

1. M. Golio, Low Voltage Electronics for Portable Wireless Applications: An Industrial Perspective, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 319.
2. V. Borich, J.H. Jong, J. East and WE. Stark, Nonlinear Effects of Power Amplification on Multicamer Spread Spectrum Systems, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 323.
3. P.M. Asbeck, T. Itoh, Y. Qian, M.F. Chang, L. Milstein, G. Hanington, P.F. Chen, V. Schultz, D.W. Lee and J. Arun., Device and Circuit Approaches for Improved Linearity and Efficiency in Microwave Transmitters, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 327.
4. L.P.B. Katehl, G.M. Rebeiz and C.T.C. Nguyen, MEMS and Si-micromachined Components for Low Power, High Frequency Communication Systems, 1998 IEEE MTT-S Digest, p. 331.
5. M. Heutmaker, J. Welch and E. Wu., Using Digital Modulation to Measure and Model RF Amplifier Distortion, Applied Microwaves & Wireless, March/April 1997, p. 34.

По материалам Microwave Journal
Перевод Ю. Потапова